美国疫情期间，颜宁的普林斯顿团队发表《PNAS》

　　

离子通道和膜转运体是在细胞膜上移动离子和小分子的。它们对新陈代谢和细胞内稳态以及一系列生物信号通路都是必不可少的。

普林斯顿大学分子生物学系的Shirley M.Tilghman教授颜宁说：“这两类膜蛋白对我们的健康都非常重要。这些蛋白质的缺陷也与许多不同的疾病有关。”

要了解为什么某一特定蛋白质的缺陷会导致疾病，不仅要知道该蛋白质做什么，而且要知道它是如何执行这一功能的。研究一种蛋白质的结构可以让科学家更好地了解它的作用机制，但是因为技术上的限制，离子通道和膜转运蛋白的结构无法用现有技术以高分辨率成像。

最近低温电子显微术（cryo-EM）的改进使包括颜宁在内的许多研究人员开始解决各种膜蛋白。

颜宁的研究项目起源于普林斯顿大学，当时她是施一公实验室的研究生。

“我参加了一个研讨会，会上的主讲人介绍了这个迷人的甾醇调节元件结合蛋白（SREBP）途径。它是控制脂质、胆固醇和脂肪酸细胞内稳态的中心枢纽。

这个故事引起了她的想象力，当到了选择研究生研究项目的时候，她决定（“有点天真”，她说）和它的伴侣，ER膜蛋白SCAP一起研究SREBP的复合物。SCAP包含一个保守区，称为甾醇敏感区（SSD）的能与胆固醇和其他甾醇结合的区域。

“即使现在，”颜教授笑着说，“我们还没有解决我第一个项目的结构。然而，这标志着我开始迷恋这条道路。因为这个项目非常困难，我开始将我的研究项目扩展到其他含有SSD的蛋白质。”

她的探索正在产生有价值的回报，2019年发表的一篇关于SSD结构的研究，该结构包含人类受体Patched1及其抑制剂音猬因子（Sonic Hedgehog）。最近，颜教授的研究小组对参与尼曼-皮克病C型（NPC）发展的蛋白质进行了两项研究。

NPC1和NPC2是在溶酶体中发现的跨膜转运胆固醇的蛋白质。NCP2是一种存在于内体和晚期溶酶体中的小蛋白，为NPC1提供胆固醇。

颜教授指出：“胆固醇转运的缺陷会导致毁灭性的疾病。”

有趣的是，NPC1也是埃博拉病毒的细胞受体。在被细胞内吞后，病毒利用NPC1逃离内吞途径，从而在细胞胞浆中复制。在2016年发表在《Cell》杂志上的一项研究中，他们利用冷冻电镜获得了NPC1的结构，以及NPC1与埃博拉表面糖蛋白复合物的重建。

继这项工作之后，另一项《Cell》研究于2020年6月发表，旨在探索NPC1和NPC2之间的相互作用。本文提出了NPC1的高分辨率结构，以及NPC1-NPC2复合物的结构。它还描述了NPC1内pH敏感的构象变化，可能需要通过膜传递胆固醇。形状变化被认为是膜转运蛋白运作的核心，但大多数蛋白质如何改变形状来执行其功能仍然是未知的。

“现在我们的目标是制作3D电影，”颜宁说，“捕捉同一分子机械的不同构象来揭示它们的工作循环。”

离子通道也会改变形状，以控制带电原子通过通道的流量；在许多通道中，这是由穿过膜的电压变化引起的。这种电压门控通道一直是颜宁课题组的兴趣所在。在她在中国清华大学的第一个实验室里，颜宁和她的学生们解决了一个电压门控人体钠通道的结构，Nav1.7。

她指出：“许多动物通过注射毒素使受害者瘫痪，而这些毒素的很多目标都是电压门控的钠通道。”

这些毒素可能通过阻塞通道孔或阻止打开通道所需的形状变化来起作用。为了研究这一点，颜宁的博士后们试图将与不同毒素结合的通道形象化，但无法净化足够的蛋白质，从而获得绑定毒素的良好图像。

在普林斯顿大学开始她的新实验室后，颜宁想更深入地研究这个课题。今年6月，她的小组终于在PNAS上发表了一篇论文，解析了原型细菌电压门控钠通道（NaChBac）的结构。

“我们已经有了人类通道的结构，为什么我还对NaChBac如此兴奋？因为这是一个很好的工具。

普林斯顿实验室使用这个工具解决了之前的问题，通过使用NaChBac和Nav1.7的部分构建了一个嵌合通道。嵌合体比人类通道更容易大量纯化。这使得我们可以想象一种狼蛛毒素结合在通道上，从而洞察毒素的作用机制和通道的作用机制。

现在，他们有了一个新的目标：捕捉到一个钠离子通道，它可以根据不同的膜电压改变形状。

这个问题得以解决要归功最近由博士后Yimo Han开发的技术改进，这种技术可以捕获脂质体这种微小脂质小泡用于冷冻电镜。

“Yimo是我在普林斯顿大学招的第一个博士后，”颜宁说。“她的背景是纳米技术，所以她教会了我很多东西。”

将不同浓度的离子包封在脂质体中，可以让科学家研究离子梯度如何影响脂质体的离子通道和膜转运体的结构。虽然这项工作目前由于SARS-CoV-2大流行而暂时搁置，但颜教授的研究小组急切地希望从他们停止的地方重新开始。

“我还有很多博士后来测试我的想法。我们迫不及待地希望实验室能重新开放，”她说。

这篇《PNAS》文章于2019年12月31日送审，2020年4月27日被杂志接收。

原文检索：Employing NaChBac for cryo-EM analysis of toxin action on voltage-gated Na+ channels in nanodisc

（生物通：伍松）